Межклеточные взаимодействия
Межкле́точные взаимоде́йствия (межклеточные коммуникации), процессы, обеспечивающие обмен информацией между клетками, необходимый для интеграции их функций и формирования тканей.
Взаимодействие между отдельными клетками у одноклеточных организмов можно наблюдать, например, у бактерий, входящих в состав бактериальной плёнки. В многоклеточном организме межклеточные коммуникации обеспечивают качественный переход от клеточного уровня организации к тканевому. Взаимодействия вида «клетка – клетка» (cell-cell) и «клетка – внеклеточный матрикс» (cell-ECM) играют ключевую роль в существовании многоклеточных организмов. Ошибки взаимодействия приводят к нарушению гомеостаза организма, раковым, нейродегенеративным, эндокринным и другим заболеваниям.
Объекты и методы исследования межклеточных взаимодействий
Сегодня одними из наиболее интересных объектов для изучения межклеточных взаимодействий являются клетки иммунной системы, отличающиеся разнообразием видов и цитокинов (белков, обеспечивающих взаимодействие между ними), а также раковые клетки, коммуникации которых между собой и с окружающими клетками опосредованы широким перечнем меняющихся факторов. Исследования в области моделирования межклеточных взаимодействий позволяют понять принципы проектирования сигнальных систем и разработать новые методы иммунотерапии рака и ряда других заболеваний.
На смену традиционным подходам в изучении межклеточных взаимодействий в последние годы пришли методы микрофлюидики – отрасли, которая занимается изучением малых объёмов жидкостей и способов манипуляции ими. Микрофлюидные чипы позволяют работать с отдельными клетками и их группами в 2D- и 3D-среде, в том числе для исследования взаимодействий вида cell-ECM и получения ткане- и органоспецифических конструкций. Таким образом, речь идёт о создании модельных объектов, с помощью которых можно исследовать различные эффекты клеточных взаимодействий in vitro.
Виды межклеточных взаимодействий
Выделяют контактные и гуморальные межклеточные взаимодействия.
Контактные межклеточные взаимодействия
Разные типы тканей отличаются друг от друга по количеству, типу клеток и расстоянию между ними. Архитектура ткани у животных поддерживается белками, которые обеспечивают плотный контакт между клетками (адгезию) и межклеточные коммуникации. Ключевую роль среди молекул адгезии играют интегрины – трансмембранные белки животных, связывающие цитоскелет клетки с внешними структурами и сигнальными ферментами (протеинкиназами) и способные передавать информацию в обоих направлениях. Интегрины также отвечают за феномен контактного ингибирования движения, наблюдаемый у мигрирующих клеток и, в частности, определяющий морфологию тканей и органов. К белкам адгезии также относятся кадгерины (кальцийзависимые белки) и селектины (связываются с углеводными структурами клеточной стенки). Плотные адгезивные контакты могут влиять на форму клеток, изменение её функциональных характеристик и экспрессию генов. Межклеточные взаимодействия, возникающие при этом, определяют дифференцировку клеток в процессах эмбриогенеза и играют ключевую роль в поддержании тканевого гомеостаза у взрослых организмов.
Контактные межклеточные взаимодействия определяются также типом межклеточных соединений, в зависимости от которых может меняться вид медиатора и других транспортируемых веществ. Некоторые контактные межклеточные соединения подразумевают межклеточную коммуникацию даже на некотором расстоянии. Туннельные нанотрубки и цитонемы могут достигать длины в несколько диаметров клетки, позволяя участникам коммуникации обмениваться сигнальными белками и даже целыми органеллами (раковые клетки могут передавать митохондрии по туннельным нанотрубкам, что вместе с транспортируемыми таким же образом мРНК влияет на экспрессию генов стромальной клетки-получателя и активирует процессы озлокачествления).
Гуморальные межклеточные взаимодействия
Выделяют три основных вида межклеточных взаимодействий, осуществляемых при помощи медиаторов – сигнальных соединений:
- Аутокринные коммуникации: цитокин (или иной медиатор) вырабатывается клеткой, имеющей рецептор к этому же соединению. Таким образом, клетка общается «сама с собой» и другими клетками того же типа (гомотипическое межклеточное взаимодействие). Например, макрофаги вырабатывают провоспалительные цитокины, обеспечивающие аутокринное стимулирующее действие на аналогичные клетки иммунной системы.
- Паракринные коммуникации подразумевают участие, как минимум, двух типов клеток (гетеротипическое межклеточное взаимодействие): одни клетки вырабатывают цитокин (или иной медиатор), а другие клетки не умеют его производить, но имеют нужные рецепторы. Такой тип коммуникаций характерен для контроля работы клеток в пределах одного органа.
- При юкстакринных коммуникациях одна из взаимодействующих клеток обладает связанным с мембраной лигандом, а другая – специфическим рецептором. Сигнальное соединение не вырабатывается ни одной из них, но, когда достигает их, запускает процесс межклеточного взаимодействия. Примером является взаимодействие между Т-клеточным рецептором и молекулами главного комплекса гистосовместимости на поверхности антигенпрезентирующих клеток.
Разнообразие и эволюция межклеточных коммуникаций
Все указанные виды коммуникаций могут сочетаться в различных комбинациях с участием разных типов клеток и нескольких видов медиаторов, что обеспечивает многоклеточным организмам широту возможных реакций. Примером эффективной межклеточной коммуникации, сочетающей в себе контактные и гуморальные способы взаимодействия, является нервный синапс – область передачи сигнала между двумя нейронами. Иммунная система у высших животных в процессе обеспечения иммунного ответа формирует также иммунологические синапсы (супрамолекулярные активирующие кластеры), обеспечивающие взаимодействие между лимфоцитами и клетками-мишенями (антигенпрезентирующими клетками).
Клетки взаимодействуют между собой в пределах локальной ниши, размер которой определяется диффузной способностью медиатора. Например, для цитокинов и иммунных клеток размеры этой ниши составляют 30–150 мкм. Для взаимодействия отдельных ниш существуют определённые механизмы, в основе которых могут лежать количество простимулированных клеток в данной области (например, регенерация волосяных фолликулов у мышей при потере заданного количества волосков), продолжительность межклеточной коммуникации (например, длительность существования связи между пептидами комплекса гистосовместимости и рецепторами Т-клеток) и другие факторы.
Следующим этапом развития коммуникаций у многоклеточного организма стало формирование эндокринной системы, благодаря которой появилась возможность передавать медиаторы на большие расстояния, запуская сходные процессы в разных удалённых системах и органах.
Литература
- Cellular and Molecular Networking Within the Ecosystem of Cancer Cell Communication via Tunneling Nanotubes / E. Lou, E. Zhai, A. Sarkari [et al.] // Frontiers in cell and developmental biology. – 2018. – Vol. 6. – P. 95.
- Daneshpour H. Modeling cell-cell communication for immune systems across space and time / H. Daneshpour, H. Youk // Current Opinion in Systems Biology. – 2019. – Vol. 18. – P. 44–52.
- Microfluidics-Based Single-Cell Research for Intercellular Interaction / Long Pang, Jing Ding, Xi-Xian Liu [et al.] // Frontiers in Cell and Developmental Biology. – 2021. – № 9.